서울대 최만수 교수 연구팀,

페로브스카이트 태양전지 내구성 저하 메커니즘 최초 규명 및 고효율 고안정성 기술 개발

서울대학교는 기계항공공학부 최만수 교수와 안남영∙곽귀성 박사과정 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 내구성 저하에 대한 핵심 메커니즘을 최초로 규명하는 동시에 20%의 고효율 및 고안정성 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다. 페로브스카이트 태양전지는 최근 22%가 넘는 높은 효율을 보여주면서 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 부각되고 있으나 대기 조건에서의 내구성이 충분하지 못하다는 단점이 상용화의 큰 걸림돌이 되었다. 따라서, 페로브스카이트 태양전지의 내구성 저하의 원인을 파악하려는 연구가 전세계적으로 이루어져 왔으나 아직까지 정확한 메커니즘이 알려져 있지 않는 실정이었다.

연구팀은 페로브스카이트 박막에서 일어나는 내구성 저하의 핵심원인이 페로브스카이트 물질의 결정 계면에 축적되는 전하 (Trapped charge : 갇힌 전하) 라는 것을 처음으로 규명하였다. 특히, 태양전지 운전 조건에서 페로브스카이트 태양전지의 빠른 열화현상이 소자 내부의 계면이나 페로브스카이트 층 내부의 갇힌 전하에 의해 지배적으로 발생한다는 점을 검증함으로써 내구성을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하였다. 이를 바탕으로 갇힌 전하를 최소화하는 소자 구조를 도입하는 동시에 안정한 결정 구조를 갖는 페로브스카이트 물질을 합성하여 20%의 고효율 고안정성 페로브스카이트 태양전지 기술을 개발하였다.

 연구팀은 전자 수송 층의 종류에 따라 페로브스카이트 박막의 열화현상이 다르게 나타난다는 것을 전자현미경 (Scanning Electron Microscope)을 통해 확인하였고, 이는 페로브스카이트 층에서 빛에 의해 생성된 전하가 충분히 빠져나가지 못해 생기는 현상인 광전류 히스테리시스와 관련이 있다는 사실을 보였다. 또한 빛에 의해 생성된 전하 대신 외부에서 직접 전하를 주입해 줄 수 있는 코로나 이온 방전법을 활용하는 실험 장비를 구성하여, 추가적으로 주입해준 전하가 모인 곳에서 페로브스카이트 열화현상이 시작한다는 것을 밝혀 내었다. 이 발견은 페로브스카이트의 내구성 저하 핵심 원인을 처음으로 밝혀낸 연구이며, 상용화 수준의 내구성 확보의 단초가 될 것으로 기대된다.

이번 연구는 미래창조과학부가 지원하는 글로벌 프론티어 멀티스케일 에너지시스템 연구단의 지원으로 진행되었고, 연구 결과는 세계적인 학술지인 네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 11월 10일자로 게재되었다.

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